Скелет скатов: легкий и прочный

Скаты. Глядя на них, ни о чем больше и думать невозможно, кроме как об их подводном полете и дивных крыльях, разве что об электрической батарее, если скат генерирует разряд. Однако нашлись люди, заинтересовавшиеся его скелетом.

Скаты и акулы — неутомимые и быстрые пловцы, и нагрузка на скелет у них колоссальная. Интересно, как хрящевой скелет выдерживает такое напряжение, если материал, из которого он состоит, мягче кости. Кроме того, в состав костной ткани входят специальные клетки, остеобласты и остеокласты, которые по мере необходимости подновляют ее и убирают поврежденные участки, а хрящ восстанавливается гораздо хуже. Несмотря на это, хрящевые рыбы явно не страдают от отсутствия костей.

Поперечный срез проптеригия: хрящ, облицованный минерализованными чешуйками

Секреты прочности скелета скатов выясняли американские ученые Лаура Макесик (Laura Macesic) из колледжа Маунт Хольок (Mount Holyoke College) и Адам Саммерс (Adam Summers) из Университета Вашингтона (University of Washington). Они исследовали структуру проптеригиев — удлиненных первых лучей брюшных плавников ската. Скаты плавают, волнообразно изгибая грудные плавники, которые у этих рыб срослись с боками тела и головы. Однако питается подавляющее большинство видов не в толще воды, а на грунте.

Чтобы поймать добычу, они должны накрыть ее своим телом и прижать ко дну. Обычно скаты затаиваются на грунте, подкарауливая жертву, а в момент броска резко отталкиваются обоими брюшными плавниками одновременно. Основной упор при этом приходится на проптеригии, которые выполняют функции рычага. Естественно, чтобы справиться с этой ролью, хрящи должны быть достаточно жесткими и не изгибаться, когда скат ими отталкивается.

Ученые работали с пятью видами рыб. Два из них, малый электрический скат Narcine bancroftii и летний американский скат Raja eglanteria, используют свои брюшные плавнички как шест, не помогая себе при этом грудными плавниками. Желтый скат Urobatis jamaicensis и атлантический скат Dasyatis sabina, отталкиваясь, взмахивают крыльями, что, однако, не делает их бросок сильнее или дальше, чем у N. bancroftii и R. eglanteria. Сле-довательно, их брюшные плавники не столь мощны и нуждаются в дополнительной помощи. И, наконец, пелагический скат Pteroplatytrygon violacea принадлежит к тем немногим видам, которые вообще не охотятся у дна и проводят жизнь в толще воды.

Измерение прочности проптеригия на изгиб. Хрящ кладут на две точки опоры и нажимают сверху. При этом сила направлена так же, как при отталкивании от дна

Из рыбин (по пять экземпляров каждого вида) извлекали левый и правый проптеригии, тщательно очищали и измеряли прочность хрящей на изгиб. Оказалось, у скатов, которые при отталкивании не пользуются грудными плавниками, проптеригии самые несгибаемые, а у пелагического ската относительно мягкие. Зная прочность плавникового хряща на изгиб, можно заранее сказать, как его обладатель отталкивается от дна.

Исследователи подчеркивают, что жесткость хряща — приспособление к придонному образу жизни, его нельзя объяснить филогенией. Атлантический и пелагический скаты, например, принадлежат к одному семейству, а жесткость брюшных плавников у них разная.

Итак, скаты нашли способ сделать прочный скелет из мягкого хряща, и даже не один. Прежде всего хрящ можно укрепить минерализацией. Хотя прочность проптеригиев сравнима с таковой костей млекопитающих аналогичного размера, содержание минеральных солей в хрящах ската значительно ниже, около 10%. Одной минерализации для получения крепких плавников недостаточно, важную роль играет структура поверхности хряща.

Плавниковые лучи скатов можно уподобить неминерализованным столбикам, которые снаружи облицованы плиточками из гидроксиапатита размерами в несколько сотен микрон. Очевидно, такая структура обеспечивает тонкие, но прочные стенки и увеличивает жесткость проптеригиев. Кроме того, жесткость плавниковых хрящей зависит от формы их поперечного сечения. Так, у электрического и желтого скатов проптеригии практически не отличаются по степени минерализации, площади и толщине стенок. Но их срезы имеют овальную форму и ориентированы так, что у электрического ската с жесткими брюшными плавниками сила при толчке направлена вдоль длинной оси, а у желтого ската — вдоль короткой.

Хрящ, не уступающий по прочности кости, но значительно более легкий, — именно то, что нужно рыбам, поскольку позволяет им поддерживать высокую плавучесть. Тело у скатов плотное, без воздушных пузырей и полых костей, и облегчить его нечем, разве что высоким содержанием жира в печени и продуманной структурой скелета.

Интересно, что N. bancroftii, у которого самый минерализованный скелет и самые толстые чешуйки, живет практически на дне и слывет одним из самых медлительных скатов, а наименее минерализованный скат пелагический и совершает далекие миграции.

Наталья Резник

LJ. Macesic, A.P. Summers Flexural stiffness and composition of the batoid propterygium as predictors of punting ability, The Journal of Experimental Biology (2012) 215, 2003−2012, doi:10.1242/jeb.61 598

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: